山东大学李英杰教授：基于石灰石加绿氢制备CaO的低碳水泥生产系统模拟

通过Aspen Plus软件模拟了基于石灰石加绿氢制备CaO的低碳水泥生产系统，并与传统水泥生产系统进行对比分析。结果表明，该系统在能耗、CO₂排放量和㶲效率方面具有显著优势。与传统系统相比，能耗降低19.42%，CO₂排放量降低52.91%，CO₂生成量降低37.55%，㶲效率从31.11%提升至75.63%。此外，合成气的高利润可抵消绿氢成本，实现430.15元/吨熟料的净利润，展现出良好的工业应用前景。

基于石灰石加绿氢制备CaO的低碳水泥生产系统模拟

作者

邓雨萌1,2，伍嘉文1，曹洪杰1，李英杰1,2

单位

1. 山东大学 核科学与能源动力学院；2. 山东大学 高效储能及氢能利用山东省工程研究中心

引用格式

邓雨萌，伍嘉文，曹洪杰，等.基于石灰石加绿氢制备CaO的低碳水泥生产系统模拟[J].洁净煤技术，2025，31（6）：1−12.DENG Yumeng，WU Jiawen，CAO Hongjie，et al. Simulation of low-carbon cement production system based on limestone hydrogenation for CaO production[J].Clean Coal Technology，2025，31（6）：1−12.

研究背景

水泥生产是全球CO₂排放的主要来源之一，传统水泥生产过程中石灰石分解产生的CO₂排放量占总排放量的60%以上。目前广泛研究的碳捕集、利用与封存技术面临高能耗的问题。为了实现水泥生产的低碳化，研究者们开始探索新的工艺技术，其中石灰石加氢分解技术因其能够将生料源CO₂转化为高附加值的合成气而受到关注。

研究内容

采用Aspen Plus软件对基于石灰石加氢制备CaO的低碳水泥生产系统进行了模拟，分析了系统的能耗、CO₂排放量、㶲效率及成本，并与采用单乙醇胺捕集CO₂的传统水泥生产系统进行了对比分析。研究结果表明，与传统系统相比，低碳水泥生产系统通过将生料源CO₂转化为合成气中的CO，显著减少了后续碳捕集单元的CO₂处理量，从而在能耗、CO₂排放量和CO₂生成量方面分别降低了19.42%、52.91%和37.55%。此外，系统的㶲效率从传统系统的31.11%增加到75.63%，成本分析表明，尽管绿氢的使用增加了系统成本，但合成气的高利润抵消了这部分成本，并实现了430.15元/吨熟料的净利润。

研究结论

（1）与采用单乙醇胺捕集CO₂的传统水泥生产系统相比，基于石灰石加氢制备CaO的低碳水泥生产系统在能耗、CO₂排放量和CO₂生成量方面分别降低了19.42%、52.91%和37.55%。

（2）低碳水泥生产系统的㶲效率显著提高，从传统系统的31.11%增加到75.63%，主要得益于合成气的产出和系统内部能量的有效利用。

（3）经济分析表明，合成气的高利润可以抵消绿氢带来的高成本，并实现430.15元/吨熟料的净利润。当绿氢成本低于2.28元/立方米时，低碳水泥生产系统的综合成本低于传统水泥生产系统。

（4）低碳水泥生产系统在能耗、CO₂排放量、㶲效率和成本等方面具有显著优势，展现出良好的工业应用前景。

创新点

创新性地将绿氢引入水泥生产过程中的石灰石分解环节，通过模拟分析了基于石灰石加氢制备CaO的低碳水泥生产系统。研究发现，该系统不仅能够显著降低CO₂排放量，还能有效减少能耗和提高㶲效率。此外，合成气的产出为系统带来了额外的经济效益，进一步提升了该工艺的工业应用潜力。这一成果为水泥行业的低碳化转型提供了新的技术路径和理论支持。

重要图表

图1 水泥生产系统能耗对比

图2 水泥生产系统CO₂生成/排放量对比

图3 基于石灰石加氢制备CaO的低碳水泥生产工艺的㶲损分布

图4 水泥生产系统运营成本对比

通讯作者

李英杰

李英杰，教授，博士生导师，任职于山东大学核科学与能源动力学院，热能工程研究所所长。主要研究方向为CO₂捕集转化、热化学制氢、热化学储能。承担包括国家自然科学基金项目/任务（6项）、国家重点研发计划子课题、山东省自然科学基金重点项目、山东省重点研发计划项目等20多项研究课题。以第一或通讯作者发表论文150余篇，授权发明专利10余件，转化7件。获教育部自然科学二等奖、山东省自然科学学术创新奖等多项奖励。培养博士生7人、硕士生30余人，被评为山东省优秀研究生导师。